南开大学黄毅教授 JMCA：面向6G的多功能宽频电磁屏蔽薄膜

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随着信息通讯行业的高速发展，第六代移动通信技术（6G）的相关研究正在成为备受关注的前沿领域。中美日韩等设定的6G信号操作频段将覆盖高频吉赫兹（GHz）到太赫兹（THz）波段，其传输速率将达到1Tbps，网络延迟降低到微秒级，真正实现“空天地海”一体化通信。然而相比于5G，6G信号频率高，传输速率快，器件发热量大，使用环境更为严苛，这也导致其更易受到干扰，因此，对超宽频电磁屏蔽材料提出了更高的要求，需要发展多功能集成的新材料体系。

近日，南开大学黄毅教授团队报道了一种集力热电磁等多功能一体化的MXene宽频电磁屏蔽薄膜。基于“氢键诱导自组装”设计理念，作者将MXene和芳香族聚酰胺（PA）乳液进行溶液复合，利用两者间丰富的氢键相互作用，实现原位组装沉降，然后经由真空抽滤制备复合薄膜。研究发现，该复合材料具有三个显著优势。首先，该薄膜对GHz和THz信号均具有强烈的电磁响应性质，在低厚度下可实现 THz/ GHz兼容的高屏蔽性能（52.7 dB@0.2~1.6 THz，38.9dB@8.2~12.4GHz）。 其次，MXene 和PA间高密度氢键相互作用赋予了复合薄膜优异的机械性能（493 MPa）和耐热性（Tg > 260℃和 Td > 520℃）。第三，复合材料具有良好的严苛环境稳定性，在高/低温（-193~250℃）、短时热冲击（500℃/30s）、酸/碱/盐侵蚀等各种恶劣环境下均展现出较好的耐久性，其电磁屏蔽性能和机械性能几乎没有变化。此外，它还集成了出色的焦耳加热性能，输出温度可稳定保持在225℃。综上，该薄膜材料显示出优异电磁屏蔽和多功能特性，在未来6G通信等领域显示出巨大的应用潜力。

图一：MXene/PA复合薄膜的制备流程及自组装机制

由于PA和MXene间的高密度氢键相互作用，复合薄膜力学性能最高可达493MPa。界面是影响复合材料力学性能的重要因素，研究者测试了薄膜在拉伸状态下的原位Raman光谱，结果显示MXene和PA在拉伸过程中均产生分子/晶格结构的形变，并且与应变呈现线性变化趋势，表明复合材料具有良好的界面应力传递性质，因此赋予了其高力学性能。

图2. 复合薄膜的力学性能和界面应力传递机制

研究者利用DMA、TMA和TGA 测试了复合薄膜的热稳定性和耐久性，结果显示其玻璃化转变温度超过260℃，热降解温度大于520℃，并且热膨胀系数最低可达4 ppm/℃，在250℃的热台上可稳定保持其形状。

图3. 不同复合薄膜的耐热性能（DMA、TMA）和热稳定性能（TGA）

在电磁屏蔽性质方面，随着薄膜内MXene含量的提升，复合薄膜的THz EMI SE值逐渐增加，在0.2~1.6 THz的平均屏蔽效率可达52.7 dB，远超传统的碳基电磁屏蔽材料。此外，其在X波段（GHz）的电磁屏蔽性质也得到证实，表明MXene/PA是一种THz/GHz多频谱兼容的电磁屏蔽材料。 

图4. 复合薄膜的THz波屏蔽性质

此外，复合薄膜还具备joule-heating性质，其稳定输出温度可达225℃，并且还展现出良好的阻燃自熄性质。

图5. 复合薄膜的joule-heating及阻燃性能

以上工作是该团队近期关于电磁功能材料相关研究的最新进展之一，以“Multifunctional MXene-based composite films with simultaneous terahertz/gigahertz wave shielding performance for future 6G communication”为题发表在《Journal of Materials Chemistry A》上。南开大学黄毅教授团队长期致力于新型电磁功能材料的研究，于2015年率先发展了基于三维石墨烯的宽频雷达隐身材料，实现了吸波强度和有效吸波频段可调（Adv. Mater., 2015, 27, 2049）；2018年首次报道了石墨烯复合材料的高效、超宽频太赫兹吸波性能（Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1704363）；2022年制备了新型Fe3GeTe2二维磁性屏蔽/吸波材料（ACS Nano, 2022,16, 7861和Adv. Funct. Mater., 2023, 2210578），以及具有智能开关效果的石墨烯/VO₂吸波复合材料（Adv. Funct. Mater., 2022, 32, 2205160.）。

论文链接：

https://doi.org/10.1039/D2TA09879B

通讯作者简介：

黄毅，南开大学材料学院教授，副院长，碳纳米及高分子复合材料研究中心主任。先后承担了国家自然科学基金、国家重点研发计划、973、863、国际合作、国防重点项目等20余项课题。在新型低维纳米材料的设计制备、电磁性质调控、高性能吸波/屏蔽材料开发和应用等方面取得了系列创新成果，并开拓了其在电子信息、航空航天及国防军工等领域的应用。近年来，在Nat. Photonics, Adv. Mater., Nat. Commun., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Nano Lett.等刊物发表论文150余篇，先后有22篇文章入选ESI高被引论文，共被引用25000余次，H因子55，连续多次入选科睿唯安 “全球高被引科学家”及爱思唯尔“中国高被引学者”。曾获国家自然科学二等奖（2018）1项，天津市自然科学一等奖2项（2015，2010）和二等奖1项（2021）。

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